MTP-4- Polymery
Titanic 15. 4. 1912 Costa Concordia 13. 1. 2012 Bakelit, celuloid
Hlavní použití polymerů
Definice polymerů/plastů Polymery = organické látky založené na opakující se jednotce (meru) tvořící dlouhé řetězce Název plasty je odvozen ze tvárných (plastických) schopností polymerních látek (ale to neplatí pro všechny polymerní látky) polymery lze formovat odléváním, spékáním nebo tvářením v tekutém stavu
Pro dlouhou historii nesprávného užití jsou plasty vysmívány Film Pelíšky
Zpracování polymerů
Hlavní druhy polymerních látek termoplasty termosety (reaktoplasty) elastomery (pryže)
Mikrostruktura polymerů Polymer = mnoho merů Energie vazebných sil (kj/mol) van der Waals 0.08 4.0 vodíkové můstky 50 kovalentní vazby 60 600 iontové vazby 560 1000 Kovalentní řetězce: Adapted from Fig. 14.2, Callister 6e. Směr růstu pevnosti Adapted from Fig. 14.7, Callister 6e.
Vliv délky uhlíkového řetězce <5 C atomů 5-19 100-1000 > 1000 plyny kapaliny vosky a parafíny plasty metan, etan, propan, butan paliva benzín, petrolej, nafta, oleje, vazelíny (<100)
Molekulární hmotnost a krystalinita Molekulární hmotnost, Mw. Pevnost -obvykle roste s Mw. -proč? Delší řetězce se více proplétají. Krystalinita: podíl materiálu v krystalickém stavu -Pevnost (Rm) a tuhost (E) obvykle s krystalinitou rostou -Žíháním objem krystalických oblastí roste crystalline region amorphous region Adapted from Fig. 14.11, Callister 6e. (Fig. 14.11 is from H.W. Hayden, W.G. Moffatt, and J. Wulff, The Structure and Properties of Materials, Vol. III, Mechanical Behavior, John Wiley and Sons, Inc., 1965.)
Vztah mezi molekulovou hmotností a viskozitou Mechanické vlastnosti Viskozita Molekulová hmotnost
Mechanismy (plastické) deformace plastů
Tahová křivka pro různé typy polymerů reaktoplasty termoplasty Další důsledky vnitřní struktury: -křehkost shodně orientované, propojené a zesítěné řetězce -plastická deformace u polymerů s částečnou krystalinitou
Srovnání polymerů s jinými materiály
Teplotně závislé mechanické vlastnosti Skelné plató Sekundární relaxace A částečně krystalický termoplast B termoset C amorfní termoplast Skelný přechod Pryžové plató Viskózní tok
Časově závislá deformace Relaxace napětí / tečení: - Deformuj na eo setrvej - Pozoruj snižování napětí Teplota skelného přechodu (amorphous polystyrene) Tg( C) pro vybrané materiály PE (low Mw) PE (high Mw) PVC PS PC Tm -110-90 + 87 +100 +150
Závislost mechanických vlastností na teplotě pro termoplasty Snížení teploty -zvýší tuhost -zvýší pevnost -sníží tažnost Zvýšení rychlosti deformace má stejný účinek jako snížení teploty Adapted from Fig. 15.3, Callister 6e. (Fig. 15.3 is from T.S. Carswell and J.K. Nason, 'Effect of Environmental Conditions on the Mechanical Properties of Organic Plastics", Symposium on Plastics, American Society for Testing and Materials, Philadelphia, PA, 1944.) 26
Mechanické vlastnosti sesítněných a krystalických polymerů Mikroténový sáček
Předdeformování dloužením Dloužení... -před použitím natahuje řetězce -natáhne je ve směru dloužení Mechanické důsledky -Nárůst tuhosti ve směru dloužení -Nárůst pevnosti ve směru dloužení -Snížení tažnosti Žíhání po sloužení... -sníží uspořádání, zarovnání -odstraní důsledky dloužení podobné zpracování za studena u kovů! Vlákna, smršťovací bužírky Adapted from Fig. 15.12, Callister 6e. (Fig. 15.12 is from J.M. Schultz, Polymer Materials Science, Prentice- Hall, Inc., 1974, pp. 500-501.)
Zpracování polymerů Termoplasty Polymer Reaktoplasty Nízkomolekulární polymer Míchání a granulaci Přísady Míchání impregnace granulát Směs v dodavatelské formě lisovací hmoty prepregy Fyzikální process ohřev do stavu taveniny a následné tuhnutí Výrobek nebo polotovar Zpracování Výrobek nebo polotovar Chemická reakce vznik nových kovalentních vazeb Výrobek nebo polotovar
Srovnání polymerů s kovy - cena
Základní principy návrhu výrobku z plastů Při nahrazování kovů je nový design vždy nutností! Vyhni se nahromadění materiálu Vol jednu tloušťku stěny Stěna tenká jak jen je to možné ale současně tlustá, jak potřeba Tuhost dodají žebra namísto zesílených stěn Rádiusy Vyhýbej se rovným plochám Vyhýbej se zářezům Šetři s přísnou tolerancí Navrhuj součástky jako multifunkční Užívej úsporné montážní postupy Vstřikové otvory do nejtlustší stěny
Principy správného návrhu
Principy správného návrhu
Principy zpracování Design = žebra
Principy správného návrhu
Principy správného návrhu
Využití polymerů
Polyetylén o nízké hustotě (LDPE) Délka řetězce: 1000-2000 igelit Chemicky odolný El. Izolátor Variabilní pevnost Měkké lahve, formy na led, obaly
Polyetylén o vysoké hustotě(hdpe) Délka řetězce: 10,000 100,000
Polyetylén s ultradlouhými řetězci (UHMWPE) Délka řetězce: 2-6 million Kloubní náhrady Přilba převody
PVC (polyvinyl chlorid) Délka řetězce: 4,000 5,000 Levné, Tuhé ale lze změkčit Tepelné deformace Podlahy El. Izolace hadice Polárnější silnější vazebné síly
Polyetylén Tereftalát (PET) - Polyester Délka řetězce: 4,000 8,000 Ester
Polystyrén Elektrická izolace Optická čistota Levné Hračky Rámy, kryty svítidel
Polypropylén Odolné proti tepelnému působení Chemicky odolný Citlivé na UV Sterilní lékařské výrobky Zavazadla Konstrukční části Fleece vlákna kontaminace řek
PTFE - polytetraflóretylén Chemicky odolný Výborná elektroizolace Nízký koeficient tření Těsnění Ložiska, kluzné povrchy Vysokoteplotní elektrické součástky a izolace Gore-Tex 30nm póry teflon
Nylon polyamid 66 Vysoká pevnost Odolnost abrazi Ložiska rukojeti Vlákna
Aramid - Kevlar Silná síť kovalentních vazeb a Polárních vodíkových můstků
Bavlna Celulóza je nejrozšířenější polymer na Zemi Je základem dřeva a papíru Celuloid (CA) Dlouhá vlákna celulózy + vodíkové můstky
Příklady
Biodegradace - PLA
Příklady Spacer textílie
Příklady
Polymerization Reactions: Initial compound used to form polymer is the mer or monomer which are chemically joined together in one of two ways: Addition polymerization molecules physically link to each other Condensation polymerization new molecule formed by chemical reaction
Amorphous Thermoplastics Extensive chain branching All thermosets are amorphous Exhibit glass tranistion temperatures Tg Below Tg, polymer acts stiff and rigid Above Tg, polymer acts soft and rubbery Melt or liquify over extended temperature range near Tg. Don t have distinct Tm like crystalline polymers. Thermosetting polymers do not melt but degrade above Tg
Crystalline (actually usually semicrystalline) Atomic bonds regular and repeated Have a defined melting point Tm Can contain some degree of amorphous polymer Usually translucent to opaque
Crystalline vs. Amorphous viscosity Specific volume
Controlling the Strength of Thermoplastics Plastic deformation in thermoplastics is due to the rotation and sliding of chains over each other. To increase the strength of a thermoplastic, we have to make it harder for the chains to move. There are essentially three ways that we can control this: 1. Alter the length of the chains 2. Change the strength of the bonds within the chains 3. Change the strength of the bonds between the chains
Introduction to Viscoelasticity All viscous liquids deform continuously under the influence of an applied stress They exhibit viscous behavior. Solids deform under an applied stress, but soon reach a position of equilibrium, in which further deformation ceases. If the stress is removed they recover their original shape They exhibit elastic behavior. Viscoelastic materials can exhibit both viscosity and elasticity, depending on the conditions. Viscous fluid Viscoelastic fluid Viscoelastic solid Elastic solid Polymers display VISCOELASTIC properties
Introduction to Viscoelasticity The response of polymeric liquids, such as melts and solutions, to an imposed stress may under certain conditions resemble the behavior of a solid or a liquid, depending on the situation. Reiner used the biblical expression that mountains flowed in front of God to define the DEBORAH number De De characteristic material time time scale of the deformation C t S Solid-like response: Liquid-like response: De De 0